机械故障诊断
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8
被誉为“专家系统和知识工程之父”的费根鲍姆 (Feigenbaum)所领导的研究小组于1968年研究成功第 一个专家系统DENDRAL，用于质谱仪分析有机化 合物的分子结构。1972～1976年，费根鲍姆小组又 开发成功MYCIN医疗专家系统，用于抗生素药物治 疗。此后，许多著名专家系统，如PROSPECTOR地 质勘探专家系统，CASNET青光眼诊断治疗专家系 统、RI计算机结构设计专家系统、MACSYMA符号 积分现定理证明专家系统、ELAS钻井数据分析专家 系统和ACE电话电缆维护专家系统等被相继开发， 为工矿数据分析处理、医疗诊断、计算机设计、符 号运算和定理证明等提供强在力的工具。
n 0, 1, 2,..., 31 N 32
式中：f1=0.05，f2=0. 40，f3=0.42； z[n]为噪声的一阶自回归过程：
zn azn 1 u
(3-13) (3-14)
17
其中a为回归系数，u为方差为σ2的高斯白噪声。 这样可以使噪声的功率谱为变化的。选择合适的 a(＝-0.8508)和σ2(＝1.010)值可以使f1附近的信噪 比为15dB，f2、f3附近的信噪比为30dB，此信号 作为比较的基准。也可以直接使用高斯白噪声信 号（令a＝0即可），这时其功率谱为一条水平线。
图中给出了各信号的理论功率谱。图中横轴为归 一化的频率(-0.5～0.5)，纵轴为功率谱值(-30～ 50dB)。
18
19
20
Baidu Nhomakorabea1
▪ 小波分析理论 （采用小波族进行变换） 具有多分辨率的特点：
▪ 在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时 间分辨率；
▪ 在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时 间分辨率；
11
二、专家系统的结构
（1）知识库（Knowledge Base）
（2）推理机（Inference Engine）
（3）数据库（Data Base）
（4）解释器（程序）
（ExplicationProgram）
（5）知识获取程序
（Knowledge Ac－quisition Program）
2
三、模糊聚类分析 1．数据的标准化 2．标定 3．聚类
四、模糊综合诊断 1．模糊综合评判数学模型 2．模糊运算模型
3
第二节 故障诊断的人工神经网络方法 一、神经网络模型 1. 人工神经元模型
n
si wij x j i j 1
ui g(si ) si
yi
f
(ui
)
1
1 e
12
13
机械故障诊断方法
信号测试采集
振动、油样、声发射、参数、……
信号分析处理
频谱、小波、…………
故障信号识别
模式识别，系统分析
模糊理论
人工智能方法
故障处理决策
14
信号分析 经典谱分析法以FFT为代表，广泛用于信号分
析，故障诊断，图像处理等许多方面。国内外都 有大量的FFT软、硬件产品问世，并且在不断发 展。 现代谱分析法采用建模的方法来估计信号的谱 参数，因而速度快运算量小，精度高。受到越来 越多的重视。目前应用的有自回归法(AR)、滑动 平均法(MA)和自回归滑动平均法(ARMA)。
ui
4
2．神经网络模型 （1）模型
5
（2）算法 B-P网络的输入值是一些特征参数，输出值是识
别结果，学习算法属于有教师学习，通过不断修 改权系数和阈值，使系统的输出误差{y}与给定 的教师样本{t}的误差为最小。
6
Hopfield网络 反馈网络 自组织 解决了著名 的TSP问题。
25
1．存在的问题 尽管机械故障诊断已取得了长足的发展，但它
是一门正在发展的新型学科，还远没有达到完善 的水平，主要表现在：
10
一、专出系统的人工智能特点 专家系统所能解决的主要问题有： (1)解决那些只有专家才能解决的实际复杂问题。 (2)用模仿人类专家推理过程的计算机模型来解决 这些问题，并能达到人类专家解决问题的水平。
比较成功的专家系统一般具有以下几个特点： （1）启发性即能使用判别性知识进行推理； （2）透明性能解释自己的推理过程； （3）灵活性能不断修改和扩充知识。
15
x(n) h(k)u(n k)
k= 0
p
q
x(n) ak x(n k) bku(n k)
k 1
k 0
AR
MA
建模参数功率谱模型
16
为了对各种谱估计的方法有一个基本的了解， 下面用一已知信号对各种方法进行检验(N=32)。
所给出的信号为：
xn 2 cos2 f1n 2 cos2 f 2n 2 cos2 f 3n zn
9
1977年，费根鲍姆进一步提出了知识工程 (knowledge engineering)的概念,整个80年代，专 家系统和知识工程在全世界得到迅速的发展。 在开发专家系统过程中，许多研究者获得共识， 即人工智能系统是一个知识处理系统，而知识 表示、知识利用和知识获取则成为人工智能系 统的三个基本问题。
实时处理
7
第三节 故障诊断的专家系统简介 专家系统是应用大量人类专家的知识和推理
方法求解复杂的实际问题的一种人工智能计算机 程序。它是由一组计算机软件组成的系统，具有 相当数量的权威性知识，具备学习功能，并且能 够采取一定的策略，运用专家知识进行推理，解 决人们在通常条件下难以解决的问题。一般的计 算机软件是由数据和程序两级组成，而专家系统 则有数据、知识和推理机三级组成。
▪ 适合探测信号中的瞬态异常并展示其成分 ▪ 称为信号分析的显微镜
22
正常泵阀
故障泵阀
23
正常活塞
故障活塞
24
机械设备故障诊断的发展
机械设备故障诊断技术是建立在多种基本技术 的基础之上，并融合多种学科理论的新兴综合性 学科。因此，该学科具有基础理论较新、体系边 界模糊、实施技术繁多、工程应用广泛、发展日 趋迅速以及与高技术发展密切相关等特点。
第六章 机械故障诊断人工智能技术
第一节 故障诊断的模糊数学方法 一、模糊教学的基本概念 1．模糊关系方程 2．隶属函数的定义 3．隶属度函数的确定 4．模糊逻辑运算 5．模糊关系矩阵的确定
1
二、模糊模式识别
1．直接识别方法 按最大隶属原则
进行判别。
2．间接识别方法 按择近原则进行
模式识别。
被誉为“专家系统和知识工程之父”的费根鲍姆 (Feigenbaum)所领导的研究小组于1968年研究成功第 一个专家系统DENDRAL，用于质谱仪分析有机化 合物的分子结构。1972～1976年，费根鲍姆小组又 开发成功MYCIN医疗专家系统，用于抗生素药物治 疗。此后，许多著名专家系统，如PROSPECTOR地 质勘探专家系统，CASNET青光眼诊断治疗专家系 统、RI计算机结构设计专家系统、MACSYMA符号 积分现定理证明专家系统、ELAS钻井数据分析专家 系统和ACE电话电缆维护专家系统等被相继开发， 为工矿数据分析处理、医疗诊断、计算机设计、符 号运算和定理证明等提供强在力的工具。
n 0, 1, 2,..., 31 N 32
式中：f1=0.05，f2=0. 40，f3=0.42； z[n]为噪声的一阶自回归过程：
zn azn 1 u
(3-13) (3-14)
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其中a为回归系数，u为方差为σ2的高斯白噪声。 这样可以使噪声的功率谱为变化的。选择合适的 a(＝-0.8508)和σ2(＝1.010)值可以使f1附近的信噪 比为15dB，f2、f3附近的信噪比为30dB，此信号 作为比较的基准。也可以直接使用高斯白噪声信 号（令a＝0即可），这时其功率谱为一条水平线。
图中给出了各信号的理论功率谱。图中横轴为归 一化的频率(-0.5～0.5)，纵轴为功率谱值(-30～ 50dB)。
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Baidu Nhomakorabea1
▪ 小波分析理论 （采用小波族进行变换） 具有多分辨率的特点：
▪ 在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时 间分辨率；
▪ 在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时 间分辨率；
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二、专家系统的结构
（1）知识库（Knowledge Base）
（2）推理机（Inference Engine）
（3）数据库（Data Base）
（4）解释器（程序）
（ExplicationProgram）
（5）知识获取程序
（Knowledge Ac－quisition Program）
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三、模糊聚类分析 1．数据的标准化 2．标定 3．聚类
四、模糊综合诊断 1．模糊综合评判数学模型 2．模糊运算模型
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第二节 故障诊断的人工神经网络方法 一、神经网络模型 1. 人工神经元模型
n
si wij x j i j 1
ui g(si ) si
yi
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(ui
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1 e
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机械故障诊断方法
信号测试采集
振动、油样、声发射、参数、……
信号分析处理
频谱、小波、…………
故障信号识别
模式识别，系统分析
模糊理论
人工智能方法
故障处理决策
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信号分析 经典谱分析法以FFT为代表，广泛用于信号分
析，故障诊断，图像处理等许多方面。国内外都 有大量的FFT软、硬件产品问世，并且在不断发 展。 现代谱分析法采用建模的方法来估计信号的谱 参数，因而速度快运算量小，精度高。受到越来 越多的重视。目前应用的有自回归法(AR)、滑动 平均法(MA)和自回归滑动平均法(ARMA)。
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2．神经网络模型 （1）模型
5
（2）算法 B-P网络的输入值是一些特征参数，输出值是识
别结果，学习算法属于有教师学习，通过不断修 改权系数和阈值，使系统的输出误差{y}与给定 的教师样本{t}的误差为最小。
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Hopfield网络 反馈网络 自组织 解决了著名 的TSP问题。
25
1．存在的问题 尽管机械故障诊断已取得了长足的发展，但它
是一门正在发展的新型学科，还远没有达到完善 的水平，主要表现在：
10
一、专出系统的人工智能特点 专家系统所能解决的主要问题有： (1)解决那些只有专家才能解决的实际复杂问题。 (2)用模仿人类专家推理过程的计算机模型来解决 这些问题，并能达到人类专家解决问题的水平。
比较成功的专家系统一般具有以下几个特点： （1）启发性即能使用判别性知识进行推理； （2）透明性能解释自己的推理过程； （3）灵活性能不断修改和扩充知识。
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x(n) h(k)u(n k)
k= 0
p
q
x(n) ak x(n k) bku(n k)
k 1
k 0
AR
MA
建模参数功率谱模型
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为了对各种谱估计的方法有一个基本的了解， 下面用一已知信号对各种方法进行检验(N=32)。
所给出的信号为：
xn 2 cos2 f1n 2 cos2 f 2n 2 cos2 f 3n zn
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1977年，费根鲍姆进一步提出了知识工程 (knowledge engineering)的概念,整个80年代，专 家系统和知识工程在全世界得到迅速的发展。 在开发专家系统过程中，许多研究者获得共识， 即人工智能系统是一个知识处理系统，而知识 表示、知识利用和知识获取则成为人工智能系 统的三个基本问题。
实时处理
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第三节 故障诊断的专家系统简介 专家系统是应用大量人类专家的知识和推理
方法求解复杂的实际问题的一种人工智能计算机 程序。它是由一组计算机软件组成的系统，具有 相当数量的权威性知识，具备学习功能，并且能 够采取一定的策略，运用专家知识进行推理，解 决人们在通常条件下难以解决的问题。一般的计 算机软件是由数据和程序两级组成，而专家系统 则有数据、知识和推理机三级组成。
▪ 适合探测信号中的瞬态异常并展示其成分 ▪ 称为信号分析的显微镜
22
正常泵阀
故障泵阀
23
正常活塞
故障活塞
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机械设备故障诊断的发展
机械设备故障诊断技术是建立在多种基本技术 的基础之上，并融合多种学科理论的新兴综合性 学科。因此，该学科具有基础理论较新、体系边 界模糊、实施技术繁多、工程应用广泛、发展日 趋迅速以及与高技术发展密切相关等特点。
第六章 机械故障诊断人工智能技术
第一节 故障诊断的模糊数学方法 一、模糊教学的基本概念 1．模糊关系方程 2．隶属函数的定义 3．隶属度函数的确定 4．模糊逻辑运算 5．模糊关系矩阵的确定
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二、模糊模式识别
1．直接识别方法 按最大隶属原则
进行判别。
2．间接识别方法 按择近原则进行
模式识别。